книги из ГПНТБ / Литвинов, И. В. Структура атмосферных осадков

при экстремальных значениях и среднем квадратичном отклонении 4,3, 12,5 и 3 см/с соответственно.

Для 97 снежинок различной неправильной формы распределе­ ние средних квадратичных отклонений горизонтальных и верти­ кальных составляющих приведено в табл. 16.

Т а б л и ц а 16

Повторяемость (%) величин средних квадратичных отклонений о для горизонтальной и вертикальной составляющих скорости падения снежинок

неправильной формы [342]

3.4. Снежные хлопья

Снежные кристаллы формируются преимущественно в верхней части облака. Падая в облаке, кристаллы растут как за счет кон­ денсации, так и за счет коагуляции, превращаясь в кристаллы разного вида. При осаждении капель облака на кристалл обра­ зуются обзерненные формы кристаллов и крупинки, при соединении с другими кристаллами — снежные хлопья. Снежные хлопья под­ разделяются по четырем основным признакам: форме, ориен­ тации при падении, виду кристаллов в хлопьях и характеру зацеп­ ления кристаллов [279]. Форма снежных хлопьев может быть самой разнообразной — от более или менее правильных сфер и сфероидов, до агрегатов неправильной формы с отдельными длинными отрост­ ками. При падении большие хлопья часто принимают вид полу­ сфер, обращенных выпуклой стороной вниз. Обычно хлопья пред­ ставляют собой вытянутые образования неправильной формы, имеющие самую произвольную ориентацию, от горизонтальной до вертикальной. Преимущественной же ориентации хлопьев в снего­ паде не обнаружено. При падении хлопья, как правило, колеб­ лются или вращаются вокруг вертикальной оси.

Хлопья, состоящие из кристаллов одного вида, — явление редкое; как правило, они включают в себя частицы самого различного вида. Объясняется это тем, что снегопады, в которых вероятность образования хлопьев наибольшая, т. е. снегопады большой интен­ сивности, выпадают из более мощных облаков, где встречаются са­ мые различные сочетания температуры и пересыщения и поэтому образуются частицы самой различной формы.

Наблюдения в Японии [279] показали, что наиболее часто выпа­ дают хлопья, состоящие из плоских и пространственных звезд, про­

90

странственных звезд и запонок, плоских звезд и запонок. По на­ блюдениям в центре ЕТС [30] в снегопадах могут встречаться са­ мые различные сочетания.

Способность снежинок объединяться в хлопья тесным образом связана с видом частиц, их количеством и степенью обзернения. Сильно обзерненные частицы и крупинки при соприкосновении друг с другом в воздухе с отрицательной температурой агрегатов не образуют, при положительной температуре мелкие, частично подта­ явшие крупники слипаются п в дальнейшем при полном таянии об­ разуют одну крупную каплю. Естественно, чем больше частиц нахо­ дится в единице объема воздуха, тем больше вероятность их столк­ новения и образования агрегатов [30] (табл. 17). В очень слабых снегопадах хлопья встречаются в 14% случаев, в сильных — в 92%.

Не каждое столкновение твердых частиц приводит к их меха­ ническому соединению. В зависимости от формы частиц, темпера­ туры и влажности окружающего воздуха коагуляция их будет происходить по-разному. Из наблюдении в центре ЕТС [30] сле­ дует, что главная роль при слипании снежинок принадлежит не ме­ ханическому захвату, а смерзанию или слипанию частиц при со­ ударении (табл. 18). В противном случае наибольшая повторяе­ мость хлопьев наблюдалась бы у звезд.

В зависимости от формы соприкасающихся частиц сила сцеп­ ления (сваривания) будет разная. Для случая сфер диаметром 15 мм, согласно измерениям Хослера и др. [188], сила сцепления пропорциональна температуре и относительной влажности. Если окружающий воздух находится в состоянии насыщения по отноше­ нию ко льду, сила сцепления довольно значительна и существенно зависит от температуры, плавно убывая с ее понижением. При уменьшении влажности воздуха сила сцепления резко падает и уже при температуре —4° С становится равной нулю.

Из этих наблюдений следует, что интенсивность образования агрегатов зависит от температуры. При Г < —25° С сваривание снежных кристаллов не происходит, а появление хлопьев может

91

быть обусловлено только механическим захватом, т. е. проникно­ вением одной ветвистой структуры в другую. Однако при Т < —25° С происходит образование кристаллов столбчатых форм, т. е. кри­ сталлов, не имеющих ветвистых лучей. Не должно происходить об­ разование хлопьев и при относительной влажности воздуха мень­ шей, чем равновесная влажность у поверхности льда. Однако при пересыщении по отношению ко льду образование агрегатов проис­ ходит практически при любых температурах. Гигантские хлопья, имеющие диаметр до нескольких сантиметров, наблюдаются при

Т^ 0 н в безветренную погоду [30, 92, 93, 94]. Вероятно, это связано

стем, что на образование хлопьев существенное влия­ ние оказывает турбулент­ ность воздуха.

Плотность снежных хло­ пьев характеризуется сред­

вызвано различием в методике измерения. В работе И. В. Литви­ нова [50, 51] за объем снежного агрегата принимался объем сфери­ ческого эллипсоида, оси которого были равны вертикальному и двум взаимно перпендикулярным размерам эллипсоида, описанного

плотности хлопьев по данным Литвинова меньше, чем по данным измерений в Японии. И. В. Литвинов определял размеры осей эл­ липсоида по фотографиям свободно падающих частиц, при этом горизонтальные размеры принимались равными друг другу и види­ мому. В работе Магоно и Нукамура за объем агрегата также при­ нимался объем описываемого эллипсоида, однако размеры осей определялись по форме отпечатков, оставляемых агрегатом при его выпадении па твердую подложку. Поэтому большие значения плот­ ности в их работе частично объясняются тем, что при падении на твердую подложку агрегаты несколько деформируются, и их плот-

92

что физически невозможно.

Скорость падения снежных хлопьев определяется их массой и формой. Чем плотнее хлопья и чем ближе их форма к форме шара, тем с большей скоростью они падают.

Снегопад состоит не только из снежных хлопьев, но и из боль­ шого количества отдельных снежинок.

При объединении отдельных кристаллов в хлопья их скорость изменяется, причем в зависимости от характера зацепления ско­ рость может увеличиваться или уменьшаться. Например, если два плоских дендрита падают, соединившись большими поверхностями, их скорость падения увеличивается, если же они соединены кон­ чиками лучей, скорость падения уменьшается.

Теоретические оценки Ламба [256] показали, что скорость паде­ ния снежных хлопьев определяется их средней объемной плотно­ стью. Эти оценки были подтверждены непосредственными измере­

93

Хотя зависимость скорости снежных хлопьев в среднем удовлет­ ворительно описывается выражением (65), применять его для рас­ четов и практического использования неудобно. Объясняется это прежде всего тем, что плотность снежных хлопьев рхл непосред­ ственно не измеряется. Более удобно выражать скорость хло­ пьев в виде степенной функции от эквивалентного диаметра агре­ гата d, т. е. vsn = Bdv, где В и у — константы. По измерениям в раз­ личных районах величины констант достаточно близки друг к другу, особенно для хлопьев, состоящих из частиц одной и той же формы (табл. 19).

3.5. Обзерненные снежинки и крупинки

Снежные крупинки образуются при осаждении на базисный кри­ сталл переохлажденных капель облака. Степень покрытия крис­ талла каплями облака не имеет четко выраженных естественных границ. Приняты следующие приблизительные границы: кристалл не обзернен — на нем нет осевших капель или их количество не более четырех и кристалл обзернен — число осевших капель больше или равно пяти [310]. При этом различается три вида обзернения: слабое (форма базисного кристалла не искажена), среднее (форма базисного кристалла значительно изменена) и сильное (форму базисного кристалла определить невозможно) [30].

Облачные капли, прежде чем войти в соприкосновение с кри­ сталлом и замерзнуть, проходят пограничный слой воздуха с боль­ шим дефицитом влажности по отношению ко льду и энергично ис­ паряются. Капли диаметром 2—4 мкм испаряются, полностью не коснувшись поверхности кристалла [310].

Более крупные капли при приближении к кристаллу также ис­ паряются до тех пор, пока не замерзнут. Время замерзания капли

ется с понижением температуры) (табл. 20). Из-за большой ско­ рости замерзания и малой скорости соударения, облачные капли, оседающие на кристаллы, замерзают, не изменяя своей сфериче­

Для кристаллов правильной формы (шестигранные пластинки, столбики, иглы) можно рассчитать скорость осаждения капель об­ лака на базисный кристалл. Эти расчеты возможны на самом на­ чальном этапе осаждения, когда кристаллы еще не изменили своей формы, и на конечном этапе образования крупинок, когда крис­ таллы достигают формы, близкой к сферической.

94

Интенсивность осаждения капель облака на падающие кри­ сталлы характеризуется безразмерным параметром — коэффициен­ том захвата Е , определяемым как отношение числа сталкиваю­ щихся капель к общему числу капель, содержащихся в объеме, вырезаемом максимальным горизонтальным сечением кристалла при движении. Для пластинчатых ледяных кристаллов с макси­ мальным размером от 50 до 3000 мкм число Рейнольдса изменяется в пределах от 1 до 70. Для этого интервала значений Re методы расчетов осаждения капель на кристаллы неразработаны. Для вяз­ кого и потенциального обтекания зависимость коэффициента за­ хвата Е от безразмерного параметра Р, по данным ряда авторов, приведена на рис. 20 [71]. Параметр Р определяется формулой

ближе к вязкому, чем к потен­ циальному. По измерениям Стара и Мейсона [348] осаждение спор

растений радиусом 6,4 мкм на дисках диаметром 0,1 см происхо­ дит с коэффициентом захвата, равным 0,06; тогда как коэффи­ циент захвата при вязком обтекании при тех же условиях равен примерно 0,03, а при потенциальном — 0,4. Воспользоваться дан­ ными работы [348] для определения коэффициента захвата не пред­ ставляется возможным, ибо максимальный радиус спор, применя­ емых в экспериментах, не превышал 6,3 мкм, что меньше макси­ мального радиуса облачных капель, осаждающихся на кристаллы в естественных условиях [310].

Предлагаемые расчеты применимы к цилиндрам бесконечной длины. В реальных условиях коэффициент захвата существенным образом зависит от величины отношения hldr. Чем меньше эта ве­ личина, тем при прочих равных условиях меньше коэффициент за­ хвата [310]. Качественно расчеты подтверждаются непосредствен­ ными наблюдениями за степенью обзернения естественных кри­ сталлов (рис. 21). Обзернение кристаллов имеет место в том случае, когда их гексагональный диаметр становится более 60 мкм. При­ чем с ростом отношения h/dr вероятность появления обзерненных •.кристаллов увеличивается.

95

Расчеты коэффициента захвата возможны только для случаев движения с постоянной скоростью при строго определенной ориен­

к изменению скорости падения и ориентации.

т 0.) Из таблицы видно, что осевшие на цилиндр капли изменяют скорость его падения в 1,5 раза, когда масса капель становится равной первоначальной массе цилиндра (табл. 21). Так как капли обычно оседают достаточно равномерным слоем, то изменение ори­ ентации цилиндра не происходит. Кристаллы в виде игл, т. е. когда

96

длина цилиндра по крайней мере на порядок больше его диаметра, изменяют горизонтальную ориентацию на вертикальную в том слу­ чае, если на конец иглы оседает капля, масса которой составляет не менее lU части массы базисного кристалла. Вероятность такого вида захвата для условий, имеющих место в реальных облаках, менее 0,01 [193]. Однако кристаллы, обзерненные с одного конца, в естественных условиях наблюдаются [187].

в крупинку. Объясняется это большими значениями водности об­ лаков при небольших отрицательных температурах [187].

Кристаллы в виде диска незначительно изменяют характер дви­ жения при осаждении на крупные капли. Так, кристалл диамет­ ром 0,5 мм и толщиной 0,1 мм, имеющий массу 10 мг, начи­ нает описывать спираль, оставаясь ориентированным горизон­ тально при осаждении на капли диаметром 160 мкм. Так как захват разными частями диска облачных капель равновероятен, то в условиях, обычно наблюдаемых в облаках, изменения ориен­ тации и характера движения диска начинаются только при сильных обзернениях.

Коэффициент захвата определяется прежде всего размером капли, вероятность осаждения капель будет тем больше, чем больше диаметр капель. В результате распределение по размерам осевших на кристалл капель будет отличаться от распределения капель в облаке. Измерения показали [167, 310], что максимум распределе­ ния осевших капель приходится на диаметры 15—40 мкм, в то время как для зимних облаков с водностью 0,3 г/м3 максимум рас­ пределения приходится на диаметры 10—20 мкм [64]. Обзернение пластинчатых кристаллов может быть как односторонним, когда капли осаждаются только на одной какой-либо стороне кри­ сталла, так и многосторонним, когда капли осаждаются на всех гранях.

Для образования двухстороннего обзернения совершенно не обязательно, чтобы кристалл вращался во время падения. Наблю­ дения на моделях [348] показали, что при Re>20 количество частиц, осевших на заднюю (по отношению к направлению движения) сторону диска, составляет 0,3-—0,5 от количества частиц осев­ ших на переднюю сторону. Однако, по-видимому, на задней поверх­ ности оседают только мелкие капли (г< 6 мкм), которые испаря­ ются, не успев замерзнуть, ибо в основном (94% случаев) при сла­ бом обзернении оно одностороннее. По данным Заморского [30],

в естественных условиях задняя сторона обзерненного кристалла также имеет шероховатую поверхность, что является результатом оседания на нее отдельных мелких капель.

Захват кристаллом сложной формы капель облака определя­ ется прежде всего формой кристалла плп даже отдельных его ча­ стей. Естественно, что игольчатые звезды будут захватывать не как диск описанного диаметра, а как цилиндр с диаметром, равным диаметру луча, и длиной, равной сумме длин всех лучей.

При падении звезд первоначальное обзерненпе начинается на лучах, в дальнейшем толщина лучей увеличивается, просветы между ними уменьшаются и образуется сплошной толстый диск. Так как на краях скорость обзёрнения больше, то вдоль всей пери­ ферии происходит образование бортика, края которого загнуты внутрь [87]. Однако кристаллы такой формы имеют тенденцию па­ дать, ориентируясь бортиком вверх, т. е. в процессе обзернения плоского кристалла он меняет свою ориентировку, покрываясь кап­ лями с обеих сторон. В результате повторяемость двухстороннего сильного обзернения в несколько раз выше одностороннего. Загну­ тые внутрь ісрая бортиков при увеличении обзернения соединяются под некоторым углом 0 [30, 175, 283]. Основание конуса имеет вид полусферы с радиусом, меньшим высоты крупинки. Обычно крупу характеризуют следующими параметрами: углом при вершине ко­

конусных крупинок, падают вершиной вниз, когда Ѳ > 1,36— 4—— при

0,1 < I/г <0,5 . Большинство крупинок имеет угол при вершине в пре­

делах 40— 100° [175, 244]. Наибольшая повторяемость. (80% слу­ чаев) приходится на углы 60—80° [244].

Соотношения (67) — (69) не являются универсальными, а от­ ражают только общие закономерности. Так, по данным работы [300]/п = 0,065 /3. Плотность крупинок неправильной формы по изме­ рениям на Кавказе лежит в пределах 0,2—0,3 г/см3, в Ленинграде 0,1—0,2 г/см3, а по данным Мейсона [64] она равна 0,05 — 0,1 г/см3. Данные Мейсона, по-видимому, сильно занижены, что обусловлено,

98

вероятно, ошибками измерения. Столь малая плотность присуща скорее пушинкам, которые по внешнему виду напоминают кру­ пинки, хотя они совершенно иной структуры.

Из всех ледяных частиц зимних осадков крупники имеют наи­ большую скорость падения (см. рис. 18). Скорость падения круп­ ных конусных и сферических крупинок достигает нескольких мет­ ров в секунду, что определяется не только их линейными разме­ рами, но и плотностью. Однако зависимость от плотности не столь существенна. Измерения, проведенные в различных районах, дают сходные результаты. Например, в диапазоне размеров от 0,3 до 2,5 мм для конусных крупинок

где I — диаметр максимального горизонтального сечения, а для сферических крупинок

ного дождя, хотя механизмы их образования разные. В естествен­ ных условиях ледяной дождь образуется зимой во время осадков при мощной инверсии. Образующиеся в верхней части облака ча­ стицы крупы или снега при попадании в слой воздуха при положи­ тельной температуре тают и превращаются в капли воды. Капли воды при дальнейшем выпадении попадают в слой воздуха с отри­ цательной температурой и полностью или частично замерзают, превращаясь в частицы ледяного дождя. Время полного замерза­ ния капли определяется выражением

< 7 2 >

где k = kB+ ßDLv, г — радиус капли, Lj и L v — скрытая теплота за­ мерзания и испарения, рк — плотность воды, F — коэффициент вен­ тиляции, k — эффективная термическая проводимость, kB— коэф­ фициент теплопроводности воздуха, ß — наклон кривой, линейно ■ аппроксимирующей зависимость между плотностью пара и темпе­ ратурой воздуха, ß = 1,7• 107 г-см -3 • (°С)~‘, D — коэффициент диф­ фузии водяного пара в воздухе, АТ — степень переохлаждения капли, св — теплоемкость воды.

Согласно расчетам по формуле (72), для замерзания капель диаметром 2 мм при Т = — 12° С требуется времени около 160 с, а капля диаметром 0,5 мм замерзает за 25 с. При полидисперсном распределении, которое практически всегда имеет место, часть ка­ пель будет полностью замерзать, а часть покроется ледяной обо­ лочкой.

Замерзание капель в условиях свободного полета редко сопро­ вождается их раскалыванием. Объясняется это тем, что капли, как правило, падают не вращаясь, так что происходит постепенное нарастание льда, начиная от наветренной стороны [196]. Интересно